智能张拉技术在高铁预应力箱梁施工中的应用

楚冲冲

(中铁十八局集团第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

1 前 言

为满足智能化高铁建设需要，高铁桥梁箱梁施工研发了智能化张拉系统，可以安全快捷实现桥梁预应力自动化、精准化控制[1]。以郑(州)阜(阳)高铁淮阳南梁场预应力预制箱梁施工为研究对象，全面介绍从智能张拉应用优势、构成、施工工艺、操作关键点，并通过相关数据研究分析得出，该技术具有操作方便、效率高、节省成本、精度高、误差小、降低劳动强度等技术优点。

2 智能张拉工艺原理

高铁箱梁预应力智能张拉系统由控制电脑和预应力张拉设备构成，见图1。该智能张拉系统整个张拉施工过程全部由计算机主控完成，首先借助人工将张拉设计数据输进主控电脑程序中，然后电脑发出相关张拉指令后开始进行施工[2]。

图1 智能张拉流程图

智能张拉系统通过自动泵站数据釆集中心釆集，主控电脑实时分析和处理数据，然后把结果借助输出模块进行输出，按照实时数据智能化地对张拉设备进行张拉信息的回应，对张拉的速度和拉力进行精准调控[3]。

3 智能张拉应用优势

与传统的人工张拉及压浆进行比较，此工艺施工时通过智能化、标准化操作，避免人为因素的干扰，施工比较规范化、便捷化，整个过程自动生成数据，施工效率和质量高。具体优点如下：

(1)测量精度高。测量伸长量用位移传感器替换传统钢尺钢束，可以确保精准到0.01mm以上；位移传感器能够把产生的电流信号转化成数字信号，能够有效防止人为因素干扰而产生的误差；高精度位移传感器能够将钢束伸长量直接反映出来，确保钢束伸长量测量精度得到极大提高；如果钢束伸长量超出规定范围，系统将会自动发出报警并及时终止张拉，技术人员根据系统报警提示，积极制定相应办法将问题解决以后再继续施工[4]。

(2)张拉精度高。智能张拉通过电脑智能管控调整，能够对张拉过程进行全方位自动控制，在智能张拉系统中通过高精度传感器精准控制张拉应力，并对位移变化进行合理控制，有效提高了张拉的质量。通过压力传感器替换传统压力表，可以确保精准到0.01MPa以上；压力传感器能够把产生的电流信号转变成数字信号，防止了人为因素干扰导致的张拉误差，张拉精度可达±1%；高精度压力传感器放置在千斤顶内部，能够把张拉应力直接显示出来，对张拉力的控制切实进行了提高；系统事先处理持荷荷载、持荷时间和加载速率等相关参数，加载的时候，对各项指标和规范要求十分契合，防止出现超拉和欠拉等质量通病，避免削弱预应力[5]。

(3)实现同步张拉。借助现场配置的2台相同功率大小的油泵控制千斤顶，能够同时对多个千斤顶进行同步张拉；如果系统位移传感器及压力传感器实测值符合相关技术规范要求，就继续开始张拉施工，如果系统位移传感器和压力传感器实测值不符合相关技术规范要求，那么必须对问题进行仔细并解决后重新开始张拉；持荷阶段系统可以自动校核加载速率、持荷压力和持荷时间等相关参数，如果规定值大于测量值，智能张拉系统将会把补张命令进行传递，一直到测量值符合规定值而且渐渐恒定后，标志着完成张拉[6]。

4 案例分析

4.1 工程概况

郑(州)阜(阳)高铁淮阳南制梁场地处河南省周口市淮阳县豆门乡张集村，淮阳南制梁场总占地面积大约为145 318.8m2，承担设计时速满足350km/h的周淮特大桥、淮沈特大桥共597孔“巨无霸”箱梁预制施工任务，箱梁混凝土浇筑320m3，总重量达900t。淮阳南制梁场最多具备160孔的存放预制箱梁的能力。

箱梁智造通过智能张拉施工工艺以及圆锚锚固系统，通过主控电脑提前把箱梁预应力施工各项参数输入，并借助无线网络把各控制设备进行连接，然后把釆集的数据自动录入进主控电脑。

4.2 智能张拉系统构成和详细功能

4.2.1 智能张拉设备和智能张拉组成

淮阳南制梁场引入TYZ/60-Ⅶ/TK型铁路桥梁智能张拉系统(见图2)。该系统由张拉动力子系统、限位控制子系统、信号传感子系统、配套辅助子系统、数据子系统等若干子系统单元模块联合构成。

图2 智能张拉设备示意图

4.2.2 功能介绍

智能张拉系统具有自动调控、自动诊断故障、断电智能恢复、智能保护回顶、智能控制油温、荷载智能复核、无线智能传输等超强功能。把张拉参数信息向智能张拉系统输入并启动系统以后，预应力的张拉、持续荷载及锚固能够借助智能张拉系统施作。智能张拉流程图详见图3。

图3 智能张拉流程图

4.3 智能张拉步骤及控制点

4.3.1 操作准备

张拉前准备阶段：作业人员培训合格并进行完整的技术交底以后，持证上岗；确保安全警示牌、警戒线等安全防护设施齐备；检验锚具、钢绞线、夹具的强度、尺寸、外形和力学性能等确保100%合格；校验油压表等张拉设备确保100%合格，而且没有超出使用期限；检查混凝土弹性模量和龄期是否符合规定要求。安排2-3人在预制场操作设备，另外安排1人在控制站进行电脑操作[7]。

为了方便同时观测梁板两端张拉过程，控制站的位置通常设置于待张拉梁板的旁边位置，最好没有阳光直接照射的地方。

4.3.2 施工关键工序要求

梁场施工技术人员对梁号、张拉顺序、张拉数据进行复核确保精准后，并智能检测主、副机和各相关传感器的情况。

钢绞线的下料和穿束时，为防止产生“毛头”和“散头”质量通病，引进薄榀砂轮机对钢绞线进行切割，要求千斤顶的实际工作长度比钢绞线外露之长短0.2m。然后套上工作锚板并推到锚垫板处进行固定。为便于操作润滑，最好事先在锚板锥孔内加注黄油润滑。必须把每副夹榀通过钢圈进行绑箍后，接着轻推入锚板锥孔中。

安装限位板时，要防止钢绞线出现交叉扭结现象。安装好工作夹榀以后，通过工具将夹榀卡紧。

通过配备张拉操作台以及防护板，可以确保设备进行张拉的稳定和安全。可以将紧靠梁体两端的铁架制作成操作台，千斤顶通过导链悬挂于上部。防护板通常设置在千斤顶周围2m内，避免锚具弹出出现意外。

前面工序正常时，配置无线网络后，智能张拉系统通过传感系统和动力系统控制开始进行张拉。

全自动内卡式千斤顶在工具锚里把工具夹榀固定好，通过压板和弹簧可以灵活将其打开或锁紧，从而防止在退回工具锚时，对工具夹榀进行拆装的步骤。借助工具锚的前置，将拉钢绞线的预留长度有效缩短，不仅大大节省材料成本，而且精度高。全自动内卡式千斤顶见图4。

注：1.千斤顶工作锚板；2钢绞线；3千斤顶限位板；4.千斤顶工作锚板；5.千斤顶工具夹榀；6.千斤顶油缸；7.千斤顶活塞；8.千斤顶穿心套

图4 全自动内卡式千斤顶示意图

进行张拉作业的时候，需要对取夹榀外露量进行测量，将测量数据输入系统后，依次分段通过加载应力张拉钢束。

进行在张拉时，智能张拉系统会借助千斤顶上的精密传感器依次监测并实时采集伸长量、张拉力、油压以及位移等相关数据，以此对误差率进行分析并生成相对应的曲线。如果系统监测到实际伸长量和理论值偏差超过允许范围时会及时预警并终止张拉；如果当张拉力小于90%张拉控制应力的时候，系统又可以实现自动补张。从而实现“双控”的目的。

以ZF6号现浇梁作为例子，进行张拉以后，钢绞线设计伸长量和实际伸长量之间误差率大多控制在2%以内，大大小于6%的限值，效果非常显著。

4.4 智能张拉质量控制要点

(1)通过双拉双控进行操作，其中伸长量△L=100%预应力筋张拉控制应力张拉时对应的伸长值+20%预应力筋张拉控制应力张拉时对应的伸长值-2 ×10%预应力筋张拉控制应力张拉时对应的伸长值-千斤顶工具夹榀回缩值；

(2)位移、压力和液压传感器示值精度都必须控制在5%之内；张拉施工必须完成波纹管、锚垫板、钢绞线安装以后再开展，另外，务必保证龄期为27d的混凝土强度大于设计混凝土强度的85%；

(3)智能张拉系统的张拉力值的偏差控制在±1%范围以内；张拉施工务必遵守“两同步三同心”的原则，即张拉时两边和两端确保“两”同步对称进行张拉，锚具与千斤顶、锚下垫板锚口与预应力管道、锚垫板锚口与锚具确保“三”同心。张拉过程中,数据釆集频率要超过5Hz。

4.5 智能张拉技术分析

通过仔细分析智能张拉和人工张拉相关的数据，可以非常直观地分析出前者的效果更好。从数据库中随机选取外部温度条件、龄期、尺寸、重量都完全相同的5榀智能张拉和5榀人工张拉预制箱梁，对伸长量实际偏差、耗时先关张拉数据进行对比分析。详见表1。

从经济效益方面分析，考虑到传统的张拉设备一般只能进行单束张拉，且需要在两端各配备人员操作油泵、测量及记录数据，至少需要7人同时作业。而本工程中采用智能张拉技术只需安排1人操作电脑、1-2人辅助监测即可实现双束同步张拉。不仅在施工速度上提高了30%-50%，还能节约4个人施工。如果按照人工的单价300元/d进行计算，每篇箱梁张拉张平均节约工期0.5d，本节采用597榀箱梁计算，共可节省人工费300×0.5×597×4=35.82万元。单根钢绞线的截短长度减少了0.69m左右，15.2mm钢绞线1.12kg/m，32m 900t铁路箱梁大概用10t钢角线，597榀梁节省了钢绞线114.93t，按4 300元/t计，可节省材料成本约49.42万元。

表1 预应力箱梁人工张拉与智能张拉数据对比分析

从成本控制方面计算,通过引入具有操作便捷、节省材料成本、而且精度高等优点的全自动内卡式千斤顶，每榀梁至少节约钢绞线约30m。

4.6 注意事项

施工前要进行培训，安全专业技术人员进行电脑操作，防止因操作不当造成质量隐患。对张拉各项参数进行设置时，要和图纸要求一致，防止出错。另外确保油泵上的安全阀不要超出规定范围。张拉力保持平稳后再锚固钢绞线。千斤顶升进行卸压和加压的时候，务必确保均衡、平缓、安全，防止猛然卸压或加压。对侧弯要十分精确控制，避免箱梁出现倾覆或折断。

5 结束语

智能张拉系统智能化、自动化地把液压、机械、计算机、自动控制、互联网等技术综合运用到高铁桥梁的预应力张拉施工，智能张拉系统规范化操作有效减少人工张拉人为因素的影响，减缓并降低钢绞线锈蚀，提高张拉效果，防止欠拉和超拉，减少预应力损失和材料消耗，节约成本，提升张拉质量，有效降低预应力箱梁下挠、开裂等风险出现，增强梁体安全耐久性，可以有效延长箱梁的使用寿命。特别是能精准控制千斤顶的预应力，经济效益更明显，实现“多控”目的。